配置斜向钢筋高强混凝土扁柱抗震性能探究

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1、配置斜向钢筋高强混凝土扁柱抗震性能探究基金项目：国家自然科学基金项目(51078037)；教育部高等学校博士学科点专项科研基金项目(20100205110010)；中国博士后科学基金项目(2012M511957)作者简介：雷拓(1973),男，陕西岐山人，讲师，工学博士，Email：leituo616@163.com。摘要：为研究高层建筑转换梁节点上扁柱的抗震性能，进行了3个1：4缩尺模型的低周反复加载试验，对其破坏形态、滞回曲线、极限承载力及延性进行了分析。在试验基础上，利用ABAQUS软件对试件进行了有限元分析；详细讨论了有限元模型的建立、模型材料参数的定义

2、以及斜向钢筋的影响。结果表明：轴压的增大提高了试件的极限承载力，同时也减小了构件的延性；构件荷载位移滞回曲线饱满，具有较好的耗能能力；在相关参数合理设置的前提下，ABAQUS混凝土损伤塑性模型可用于钢筋混凝土构件的滞回分析；斜向钢筋增加了试件的极限承载力，但位移延性没有明显变化。关键词：斜向钢筋；高强混凝土；扁柱；高层建筑；抗震性能；滞回分析；有限元中图分类号：TU352文献标志码：A0引言高强混凝土具有能够大幅度提升结构和构件的承载力、减小结构构件尺寸和自重、加快施工进度等优点，在工程实践中得到了越来越多的应用。近年来，在高层、小高层结构设计中，建筑师和结构工

3、程师为了改善室内使用空间和视觉效果，较多使用了扁柱（柱截面高宽比为2〜4）,从而形成扁柱框架结构或扁柱框架剪力墙结构体系［12］。张国军等［3］、史庆轩等［4］分别就火力发电厂主厂房框架混凝土扁柱进行了缩尺模型试验研究。冯庆兴等［5］就结构计算中扁柱的几种建模方法进行了比较。而对于高强混凝土扁柱破坏机理的研究，目前还未见报道。本文中笔者通过对3个配置斜向钢筋的高强混凝土扁柱的低周反复加载试验研究，定量测试结构构件在较低应力水平下的滞回曲线和骨架曲线，对扁柱的强度、刚度、延性和耗能进行了分析；详细讨论了试验有限元模型的建立、模型材料参数的定义以及斜向配筋对构件滞回

4、性能的影响，验证了扁柱构件设计的可行性。1试验概况1.1试件设计与制作试件原型为某24层高等级酒店结构转换层斜交梁节点上的扁柱。模型与原型的缩尺比例为1：4,共制作3个试件,柱截面高宽比为3o扁柱混凝土设计强度为C80,钢筋为HRB400级；底座为斜交梁节点形式，底座梁以及加载梁的混凝土设计强度为C45,型钢为Q345级，钢筋为HRB335级。试件尺寸及配筋见图1,混凝土材料力学性能如表1所示。1.2加载制度首先，采用千斤顶施加轴压比要求的竖向荷载（试件1,2均为1000kN,试件3为1300kN）,待竖向力恒定后，通过加载梁两端的滑动支座使加载梁始终保持水平，

5、再由申科机施加水平荷载。初期加载为力控制,采用周期为100S的正弦波，每级荷载循环1次，加载力幅值按每级10kN递增。而后加载按屈服位移的整数倍逐级施加位移，每级荷载循环3次，直到试件承载力下降至极限承载力的80%左右时停止试验。试验加载装置如图2所示。2试验现象及结果分析1.1试验现象试验中首先在柱脚出现竖向裂缝，接着产生水平裂缝。在接近屈服荷载时，竖向裂缝延伸，柱顶、柱脚混凝土开始压碎剥落；在柱身上下1/3处出现大量斜裂缝。在接近极限承载力时，柱顶、柱脚混凝土被压碎现象较为严重，并有钢筋露出。随着加载位移的继续增大，柱顶、柱脚混凝土完全被压碎，局部钢筋压II

6、、断裂；柱底、柱顶部位斜裂缝继续加密，但并未向柱体中部发展。图3为试件的破坏形态。2.2结果分析试件荷载位移滞回曲线见图4。由图4可以看出，进入塑性后，滞回环基本呈稳定的梭形，说明扁柱的耗能能力较为理想，试件表现出一定的强度退化，但并不十分明显，在下降段强度退化相对明显；随着变形的增加，试件刚度退化越来越严重。对比3个试件，试件3的轴压力较试件1,2的大，从滞回曲线中可以看出，试件3的延性和耗能能力比试件1,2的小。从图5可以看出，试件1,2的极限荷载在455kN左右,试件3的极限荷载在500kN左右；曲线在达到极限荷载后有一段平滑的过渡段，这说明该试件的延性较

7、为理想。表2为试验所得的主要试验结果统计，其中延性系数P按下式计算式中：Au为承载力下降到极限承载力的85%时对应的极限位移；Ay为构件屈服时对应的位移，按文献［6］中提出的方法确定。3有限元模型3.1材料模型的选取混凝土材料模型采用ABAQUS程序的损伤塑性模型［7］。混凝土受压应力应变曲线选用Lgeron等［8］提出的应力应变表达式，该模型可定量描述箍筋的约束效应。笔者通过反复试算认为，箍筋约束区的混凝土必须采用约束混凝土的应力应变曲线，且约束混凝土极限压应变取为峰值应力相应应变的10倍左右。混凝土受拉应力应变关系采用双折线简化形式，混凝土拉应力在达到单轴抗

8、拉强度fto（此时的应变